配电网故障定位技术现状与展望
季涛1,孙同景1,薛永端2,3,徐丙垠2,3,陈平2,3
(1.山东大学控制科学与工程学院,山东济南250061; 2.山东理工大学电气技术研究所,山东淄博255049;
3.山东科汇电气股份有限公司,山东淄博255087)
摘要:对现有的定位原理和方案进行了系统归纳并将其概括为三类:一类是以在线路端点处测量故障距离为目的的故障测距法;一类是故障发生后通过向系统注入特定信号实现寻迹的信号注入法;还有一类是根据故障点前后故障信息的不同确定故障区段的户外故障点探测法。概略分析了各种故障定位方法各自的优缺点以及适用的故障类型,在此基础上阐述了目前配电网故障定位存在的问题。最后探讨了配电网故障定位技术的研究方向和发展前景。
关键词:配电网; 故障定位; 小电流接地故障; 继电保护
中图分类号:TM726;TM773 文献标识码:A 文章编号:1003 4897(2005)24 0032 06
0 引言
我国中低压配电网大多采用中性点非有效接地运行方式(俗称为小电流接地系统)。配电线路故障,尤其是单相接地故障的快速、准确定位,不仅对修复线路和保证可靠供电,而且对保证整个电力系统的安全稳定和经济运行都有十分重要的作用。
对于线路的相间短路故障,由于伴随出现过流现象,一般比较容易检测。但是配电网单相接地故障是发生几率最高的故障类型。虽然规程规定单相接地故障发生后系统可继续运行2h,但由于单相接地故障可能会进一步发展为两点或多点故障,从而引起跳闸停电事故[1],所以,配电网故障定位主要是解决单相接地故障的准确定位难题。
目前对于小电流接地系统故障定位的研究也大多集中在单相接地故障定位方面的研究。许多学者对配电网的故障定位问题做了大量研究,主要可以概括为三类:一类是以在线路端点处测量故障距离为目的的故障测距法;一类是故障发生后通过向系统注入信号实现寻迹的信号注入法;还有一类是利用户外故障探测器检测的故障点前后故障信息的不同确定故障区段的户外故障点探测法。本文分析了当前各种配电网故障定位方法的优缺点,阐述了目前故障定位存在的问题,并由此提出了发展配电网络故障定位技术的研究思路。
基金项目:山东省自然科学基金(2004ZX26)1 故障测距法
1.1 阻抗法
阻抗法的故障测距原理是假定线路为均匀线,在不同故障类型条件下计算出的故障回路阻抗或电抗与测量点到故障点的距离成正比,从而通过计算故障时测量点的阻抗或电抗值除以线路的单位阻抗或电抗值得到测量点到故障点的距离[2~4]。
文献[3]对利用最小二乘法进行测量阻抗参数估计进行了初步探讨,以解决线路阻抗参数在距离保护中不够准确的问题;文献[4]对利用故障分量电流的阻抗法进行研究,以提高阻抗法故障测距的精度。
阻抗法具有投资少的优点,但受路径阻抗、线路负荷和电源参数的影响较大,对于带有多分支的配电线路,阻抗法无法排除伪故障点,它只适合于结构比较简单的线路。
1.2 行波法
根据行波理论,无论是相间短路故障还是单相接地故障,都会产生向线路两端传播的行波信号,利用在线路测量端捕捉到的暂态行波信号可以实现各种类型短路故障的测距。行波法是通过测量故障产生的行波在故障点及母线之间往返一趟的时间或利用故障行波到达线路两端的时间差来计算故障距离[5,6]。
在输电线路行波测距技术获得成功应用的基础上[7],已经有科研人员对配电网络的故障行波测距开展研究[8~10]。文献[8]提出通过识别来自故障点和不连续点的反射波来确定故障区段,从而找出与故障点相关的两个反射波,并由这两个波的最大相
32第33卷第24期
2005年12月16日
继电器
REL AY
V o.l33 N o.24
D ec.16,2005
关时间计算得到故障点到检测端距离的单端行波测距方法。文献[9]将零模和线模分量相结合,用零模分量对故障点反射波和对端反射波进行识别,用线模分量实现铁路自闭/贯通线路(一种独特的配电线路)的故障测距。上述两种方法从理论上可行,但由于配电网结构复杂,混合线路接头处,线路分支处和负荷处均为波阻抗不连续点,行波在波阻抗不连续点的折射和反射造成线路一端测得的行波波形将特别复杂,很难正确识别出故障点的反射波,使测距实现困难。文献[10]提出利用双端行波法实现故障测距,并解决了测距中波速度不连续的问题,有一定的实用性,但它只是对双端行波故障测距做了简单仿真验证,对实际应用中面临的困难和关键技术问题考虑不足,离实用化还有一定距离。
2 信号注入法
2.1 S注入法
S注入法是利用故障时暂时闲置的电压互感器注入交流信号电流,通过检测故障线路中注入信号的路径和特征来实现故障测距和定位[11~13]。在发生接地故障后,通过三相电压互感器的中性点向接地线路注入特定频率的电流信号,注入信号会沿着故障线路经接地点注入大地,用信号寻迹原理即可实现故障选线并可确定故障点。
不少电力部门要求在系统出现单相接地时选出接地线路后立即停电,在停电状况下进行接地点定位。针对此种情况,文献[14]在基于注入信号电流定位法的基础上,提出了 直流开路,交流寻踪 的离线故障定位新方法。考虑到线路停电后绝缘可能恢复,该方法首先通过外加直流高压使接地点处于保持击穿状态,然后注入交流检测信号,通过寻踪注入的交流信号找出故障的准确位置。
S注入法最大的优点在于其适合于线路上只安装2相电流互感器的系统。其缺点在于:注入信号的强度受PT容量限制;接地电阻较大时线路上分布电容会对注入的信号分流,给选线和定点带来干扰;如果接地点存在间歇性电弧现象,注入的信号在线路中将不连续,给检测带来困难。该方法寻找故障点花费时间较长,有可能在此期间引发系统的第2点接地,造成线路自动跳闸。
2.2 加信传递函数法
文献[15]提出在故障出线处加方波诊断信号,根据故障后电路拓扑结构的变化,用频域分析进行定位的单端测距算法。该方法基于频谱分析的原理和线路的分布参数模型,从线路首端施加方波激励信号源,在首端测量时域的零序电压和电流数据,计算得到频域传递函数,根据各分支端口传递函数频谱的频率、相位和波形特征实现接地故障定位。
文献[16]详细推导了三相配电线路接地故障定位的传递函数表达式,而文献[17]则给出了依据传递函数波形的频率、相位和幅值特征进行故障定位的判据,文献[18]通过试验进一步验证了利用传递函数法实现配电网故障定位的可行性和有效性。
为了实现多分支线路的故障定位,文献[19]在利用系统传递函数做为故障分析的基本方法的基础上,提出了解决多分支配电网接地故障定位的特征向量法。它是通过数字信号处理手段获得传递函数频谱特性,结合对网络结构以及波过程的分析,对一个分支的传递函数频谱特征做出总结和归纳,并通过与其它分支得到的频谱特征比较,选择合适的特征值来构造不同分支的分支特征向量和故障距离特征向量,利用分支特征向量判定故障所处的分支,利用故障距离特征向量获得故障距离。
传递函数法对中性点不接地系统具有测距结果不受负载参数变化影响的优点。但由于其取地模网络做为故障定位信息依据,不能解决只存在线模分量的相间短路故障的定位问题。其在理论上可行,但在实用化方面还存在不少困难和限制,尚未得到推广应用。
2.3 端口故障诊断法
文献[20]将模拟电路故障诊断理论应用于分布参数传输网故障诊断,提出利用单相接地后的故障电压和电流的特点进行测距和定位,从端口方程出发,通过施加音频正弦信号,以比较传输网可测端口故障前后测试信号的变化量为根据,实现自动在线定位故障分支。文献[21]详细描述了端口故障诊断法的原理及算法。端口故障诊断法的优点是故障诊断测后工作量小,适用于较大网络的故障诊断,缺点是分支上的故障点位置只能归结为分支与主支的联接点,确切故障距离无法确定,且采用线路两侧信息,需要数据通信,实用性不强。
3 户外故障点探测法
户外故障点探测法就是在配电线路的主要节点加装故障探测器,将探测信息加以汇总分析,得到故障所在区段。目前常用的户外故障探测器有线路故障指示器和线路FTU两种,都是根据故障点前后故障信息的不同确定故障所在区段。
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季涛,等 配电网故障定位技术现状与展望
